Понимаем ли мы физику (практическое занятие №1)

16 April 2019

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.

e-mail: d-pi@yandex.ru

Как я заметил по комментариям, тема о физическом смысле импульса силы Ft и количества движения mV вызвала у читателей самые разные реакции. От понимания сути проблемы до полного отрицания.

Ну что тут сказать. Отрицать очевидное, конечно, можно. До поры до времени. Вопрос только в том, а не будет ли отрицавший очевидное выглядеть после всех своих тупых комментариев еще большим остолопом и недоумком, чем он есть на самом деле?

С целью более широкого вовлечения народных масс в процесс образования и, что гораздо важнее, самообразования, я предлагаю простой пример практического применения знаний, полученных на уроках физики. Кстати, я бы рекомендовал школьным учителям использовать этот наглядный пример для обучения школьников азам физики. Правда, я знаю, что тематику занятий и рассматриваемые на них вопросы определяются бестолковыми в своей основной массе чиновниками из Министерств просвещения, высшего образования и науки и опять же, бестолковыми сотрудниками Российской академии образования, и поэтому школьные учителя обычно бывают лишены возможности нормально обучать своих учеников.

Я повторю основной принцип образования, высказанный еще, как утверждают историки, 2400 лет тому назад неким Аристиппом Киренейским – «детей надо учить тому, что пригодится им, когда они вырастут». Уже сегодня количество автомобилей в РФ – более 300 на 1000 граждан. И в дальнейшем это количество будет явно возрастать. Поэтому следует ожидать, что у каждого нынешнего школьника появится собственный «железный конь», или хотя бы один «железный конь» будет в общей собственности супругов. Поэтому имеет явный смысл рассказывать на уроках физики про устройство автомобилей, про правила их эксплуатации, про расход топлива, про разгон и торможение, про опасности высокой скорости и скользкой дороги, про организацию движения. Нет, не подменяя этим автошколы, а объясняя всё перечисленное мной с позиций настоящей физики.

Но разве в современных учебниках физики вы найдёте что-нибудь подобное? Нет, там есть только дебильные (неверные) теоремы Карно, в основе которых лежит представление, что «теплота» - это когда быстро летающие в пространстве, со скоростями больше звуковых, со скоростями, превышающими скорость полёта пуль, выпущенных из снайперской винтовки, зверски лупят (или каким-то особо хитрым образом трутся) по блестящим академическим и профессорским лысинам своими степенями свободы. … Я сказал что-то не так? Позвольте, но это и есть основная на сегодня парадигма теплоты.

Вместо того, чтобы правильно рассчитать тормозной путь, школьников учат, что 1+1=1 – это самая гениальная физическая «теория» всех времён и народов. Я имею в виду Специальную гипотезу (только полные болваны могут называть её теорией) относительности Альберта Эйнштейна.

Но давайте ближе к теме.

Итак, практический урок №1.

Если Вам хотя бы мало-мальски известно устройство автомобиля, то вы должны знать, что двигается автомобиль за счёт «движущей силы», которую создаёт двигатель. Эта «движущая сила» создаётся внутри цилиндров с поршнями, за счёт избыточного давления газов, образовавшихся в результате сгорания рабочей смеси. Более подробно про процесс создания «движущей силы» я расскажу на следующих уроках.

Эта «движущая сила» коленчатым валом превращается в крутящий момент, который через сцепление, затем – коробку переключения передач и трансмиссию передаётся на колеса автомобилей, которые за счёт трения с дорожным покрытием и создают силу, заставляющую автомобиль двигаться.

Какова же должна быть величина этой силы для обычного (или Вашего персонального) легкового (или грузового) автомобиля? На этот вопрос легко ответить, имея видеорегистратор со встроенным GPS.

Как я уже говорил ранее, существуют несколько основных сил сопротивления движению. К ним относятся:

- все силы трения – в двигателе и трансмиссии автомобиля, включая трение в подшипниках в ступицах колёс и трение качения колёс по дороге (Ff);

- сила сопротивления уклона (Fi);

- сила сопротивления воздуха (Fw).

Если Вы двигаетесь по ровной, строго горизонтальной, качественно заасфальтированной дороге, на хорошо накаченных шинах, то движению автомобиля будут «сопротивляться» только силы трения в самом автомобиле и сила сопротивления воздуха.

Хочу отметить, что, по утверждениям специалистов, при скоростях легковых машин до 60 км/час сила сопротивления воздуха крайне незначительна и ей можно попросту пренебречь. Заодно проверим на нашем практическом занятии и это утверждение.

Любое замедление скорости автомобиля называется торможением. Торможение может быть активным, когда мы нажимаем тапком на педаль тормоза, или пассивным, когда мы просто сбрасываем газ и двигатель перестаёт съедать залитую в бак «энергию» – способность тела, в данном случае – автомобиля – совершить механическую работу.

Пассивное торможение (как и активное), если у Вас автомобиль «с ручкой», то есть с механической коробкой переключения передач, а не велосипед с двумя педалями – «тормозом» и «газом», может быть в двух вариантах:

1. с размыканием сцепления

2. без размыкания сцепления.

Когда мы сбросили газ, мы можем выжать сцепление, разъединив колёса с двигателем, и трение, препятствующее движению, будет возникать лишь в подшипниках ступиц, трансмиссии и коробке переключения передач (КПП) … а можем не выжимать, и тогда колёса вдобавок заставят вращаться коленвал и двигать сами поршни внутри цилиндров – то есть сопротивление движению явно увеличится. Конечно, и автоматическую КПП можно поставить «на нейтралку» при торможении, но тогда теряется вся прелесть АКПП.

На этом видео представлены три пассивных торможения на хорошем дорожном покрытии на горизонтальной дороге, два из них – с выжатым сцеплением, одно – без размыкания сцепления.

Видеорегистратор в правом нижнем углу ежесекундно фиксирует время и «мгновенную» скорость автомобиля. Занесём эту информацию в Excel

Понимаем ли мы физику (практическое занятие №1)

Построим графики всех трёх процессов – по оси Y будем откладывать моментальную скорость автомобиля в определенный момент. После чего в Excel’е подберём для каждого графика линию тренда с соответствующей формулой. Очевидно, что для всех трёх графиков линия тренда – это прямая. Это указывает на тот факт, что действительно, при скоростях ниже 60 км/час влияние сопротивления воздуха незначительно – ведь в противном случае графики торможения не получились бы столь прямыми.

Ну что, сейчас не лишне вспомнить простую формулу из школьного учебника физики за 7 класс:
Ну что, сейчас не лишне вспомнить простую формулу из школьного учебника физики за 7 класс: V = V_о + at

Замечаете соответствие? Если теоретическая физика установила правильный физический закон, то этот закон ВСЕГДА можно будет применить в нашей повседневной жизни. В отличие от выдуманных «особо продвинутыми» физико-теоретиками лже-законов.

Ну что, на сегодня пока достаточно?

Детальные расчёты, детальный «разбор полётов», точнее, разбор процессов пассивного торможения автомобиля с выжатым сцеплением и без размыкания сцепления я продолжу в ближайшее время. Обещаю, дальше будет значительно интересней, так как в конце этих практических уроков мы подойдём к интересным, но совершенно неожиданным выводам.

Кстати, школьникам вовсе не обязательно самим сидеть за рулём автомобилей своих родителей. Сейчас почти у каждого школьника есть свой собственный смартфон с GPS. Насколько я знаю, в сети для Android есть масса разработок самых разных трекеров, которые постоянно фиксируют скорость и время и где-то даже могут записывать эти данные. Я пока пересмотрел массу самых разных бесплатных трекеров самых разных производителей программных продуктов. И у всех – одна беда – записать данные и потом перенести их на компьютер, а лучше всего – прямо в Excel во всех просмотренных мной бесплатных версиях невозможно. Все хотят денег. Я могу заплатить и за платную версию какого-либо трекера. Но я не хочу покупать кота в мешке, так как не знаю, понравится ли мне инструментал и удобство использования того или иного трекера. Так что, если кто работал с трекерами, пожалуйста, напишите о них своё непредвзятое мнение – с точки зрения, можно ли использовать тот или иной трекер в школьном учебном процессе.

А еще – было бы неплохо, если бы Министерство просвещения заказало разработку трекера, который бы фиксировал время и скорость объекта (мобильного телефона, который лежит в кармане школьника), позволял бы нажатием одной-двух кнопок пересылать полученные данные в компьютер, в какой-нибудь табличный процессор вроде Excel’a и предоставило бы это разработку учащимся совершенно бесплатно.